一種照明線路探測儀的設(shè)計和實現(xiàn)

唐建東

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與通信工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

一種照明線路探測儀的設(shè)計和實現(xiàn)

唐建東

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與通信工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

分析了照明線路通電后形成的空間交變電磁場，計算了電磁感應(yīng)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小，設(shè)計了適合檢測照明電路的電感線圈結(jié)構(gòu)和線圈數(shù).探測儀應(yīng)用電路包括選頻電路、微弱信號放大電路、幅度檢測電路和比較發(fā)聲電路.測試結(jié)果表明：探測儀能準確探測出墻面內(nèi)的照明線路.

電磁感應(yīng)；照明線路探測儀；運算放大器；選頻網(wǎng)絡(luò)

室內(nèi)照明線路基本采用嵌在建筑墻面內(nèi)的暗線代替明線，電氣工程師在維護和新安裝線路時，需要使用照明線路探測儀來確定照明線路.這種儀器大多是國外制造，采用雷達技術(shù)進行探測，價格昂貴，不適合家庭裝修施工[1].本文設(shè)計一款墻面內(nèi)照明線路探測儀器，能快速準確探測照明線路的具體位置和布線情況，給施工和維護帶來方便.

1 照明線路檢測原理

根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，照明線路通電時會在線路周圍產(chǎn)生50Hz的交變電磁場.通過檢測電磁場，就能探測到線路.本文采用電磁感應(yīng)線圈來感應(yīng)磁場，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定理[2]，有：

式中，E為感應(yīng)電壓；f（t）為感應(yīng)線圈磁通量；I(t)為照明線中的電流；r為感應(yīng)線圈到導(dǎo)線的距離.

由公式（1）可知，線圈中感應(yīng)電動勢的大小正比于電流的變化率，反比于線圈中心到導(dǎo)線的距離.其中常量k0為與線圈擺放方法、線圈面積和一些物理常量有關(guān)的一個量，具體的感應(yīng)電動勢常量須根據(jù)實際測定來確定；x是感應(yīng)線圈距離導(dǎo)線的水平距離；h是感應(yīng)線圈距離導(dǎo)線的垂直高度.線圈水平位置x=0時(中心位置)感應(yīng)電動勢最大[2].

2 照明線路探測儀結(jié)構(gòu)

照明線路探測儀組成如圖1所示，由電磁場感應(yīng)傳感器、50Hz選頻電路、微弱信號放大電路、信號幅度檢測電路和蜂鳴器電路組成.電磁場感應(yīng)傳感器把照明線路產(chǎn)生的交變電磁場信號變?yōu)槲⑷蹼娦盘枺?jīng)過50Hz選頻電路通帶濾波后傳輸給微弱信號放大電路進行放大，放大后的信號由信號幅度檢測電路將交流信號變?yōu)橛行е惦娖叫盘枺娖叫盘柾ㄟ^比較器控制蜂鳴器電路發(fā)聲來指示墻面內(nèi)有無照明線路[3].

照明線路探測儀外形結(jié)構(gòu)如圖2所示.測試儀由工程塑料制成，前端安裝電磁線圈制成的傳感探頭，探測時將探頭放在待測墻面上移動，當遇到有通電的照明線路時，蜂鳴器發(fā)出聲音，后端是裝有電路板的手柄，探測時手握著手柄.

圖1 照明探測儀組成

圖2 照明線路探測儀外形

3 照明線路探測儀電路設(shè)計

3.1 感應(yīng)磁場線圈設(shè)計

通過理論分析和多次實驗發(fā)現(xiàn)，硅鋼片對于50Hz交變磁場表現(xiàn)出最高的導(dǎo)磁率.測試儀探討采用環(huán)狀硅鋼片磁環(huán)，在下方留出5 mm的缺口，形成開放的磁芯，通電線路形成的磁場通過缺口進入磁芯，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢.磁環(huán)上感應(yīng)繞組為250圈，電感量約300 mH.結(jié)構(gòu)如圖3所示.

3.2 信號選頻電路

感應(yīng)磁場線圈得到的感應(yīng)電動勢是微弱的電信號，空間干擾磁場也會在線圈中形成各種頻率的電噪聲，在信號的前級必須設(shè)計一個選頻網(wǎng)絡(luò)電路，分辨出由照明線路產(chǎn)生的磁場.在探測儀中設(shè)計一個LC 并聯(lián)電路組成的選頻電路，選頻電路的中心頻率為50Hz，諧振電容的容量為：33.7×10-6F.

圖3 照明線路感應(yīng)磁環(huán)

3.3 信號放大電路

信號放大電路如圖4所示，L1、C1和R1構(gòu)成LCR選頻網(wǎng)絡(luò)，中心頻率為50Hz.通過C2耦合到信號放大電路.信號放大電路采用兩級集成運算放大器組成的選頻放大電路.第一級放大器從運算放大器的2腳輸入1腳輸出，組成反方向放大，R4和C3是選頻反饋回路，最終放大器構(gòu)成有源低通濾波器，R3調(diào)節(jié)低頻放大倍數(shù).第一級放大輸出通過C4耦合到第二級放大器，第二級6腳輸入7腳輸出組成方向放大器.R7和C5構(gòu)成選頻反饋回路，R5調(diào)節(jié)信號輸出幅度[4].通過兩級選頻放大后，最后產(chǎn)生幅度為2Vpp的信號給幅度檢測電路處理.

3.4 幅度檢測電路

信號放大電路輸出的信號是50Hz的交流電壓信號，直接進行積分濾波處理產(chǎn)生很大的電路惰性，檢測速度變慢.為了提高速度將交流信號變?yōu)橛行е颠M行處理，在本設(shè)計中采用美國AD公司的交直流專用轉(zhuǎn)換芯片AD637來實現(xiàn).電路結(jié)構(gòu)圖如圖5所示.

AD637是AD公司RMS-DC產(chǎn)品中精度最高、帶寬最寬的交直流轉(zhuǎn)換電路，對于1VRMS的信號，它的3dB帶寬為8MHz，并且可以對輸入信號的電平以dB形式指示.

輸入信號從13腳輸入，R3為100K提高的輸入阻抗.第4腳的電位器用于電路調(diào)零，當輸入短路后調(diào)節(jié)R1，使輸出有效值為0V.有效值從第9腳輸出，通過R4反饋到第6腳調(diào)節(jié)輸出有效值比例系數(shù).使用AD637后，檢測信號轉(zhuǎn)換為直流電壓[5].

幅度檢測電路產(chǎn)生的直流信號輸出給蜂鳴器電路，當檢測到有信號時蜂鳴器發(fā)聲，從而得到照明線路的布線情況.

圖4 信號放大電路

圖5 交流有效值轉(zhuǎn)換電路

4 電路調(diào)試與測試結(jié)果

將感應(yīng)探頭放在通有工頻電流的60W白熾燈導(dǎo)線周圍，調(diào)節(jié)圖4中的可調(diào)電阻R1和R4，用示波器觀察電容C6的輸出V1，得到其輸出最大輸出幅度.

在已知布線分布的墻壁上，分別點亮60W和15W白熾燈，手持測試儀探頭在墻面上掃描，測到有通電照明線路時蜂鳴器發(fā)出長音，試驗測試結(jié)果見表1.

由表1可知，在距離線路中心1cm范圍內(nèi)60W線路成功率為100%，15W線路成功率為95%，因為60W線路功率強，準確性高.當偏離中心線大于2cm時，兩者都會有差錯，主要原因一是探頭靈敏度很高，易受到環(huán)境磁場干擾，二是掃描的速度太快，出現(xiàn)了偶然性的錯誤，導(dǎo)致系統(tǒng)串測.

表1 60W和15W白熾燈線路測試結(jié)果

測試證明，該探測裝置方案可行，電路設(shè)計合理，能夠達到了測試要求，有較好的實用價值.

[1] 李剛，刑佳，郝麗玲，等.非接觸式高精度AC電流檢測系統(tǒng)及其實驗和誤差分析[J].電子產(chǎn)品世界，2012（1）：43-46.

[2] 李剛，刑佳.一種非接觸式高精度AC電流檢測系統(tǒng)的設(shè)計[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器，2010（1）：43-46.

[3] 汪嵐.基于STC12C5A602的照明線路探測儀設(shè)計[J].延邊大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，40（3）：257-260.

[4] 楊花雨，申俊星.簡易照明線路故障檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2014，13（5）：54-58.

[5] High Precision, Wide-Band RMS-to-DC Converter User’smanual[R].REV.E. Analog Devices: 2003.

Design and Implementation of A Lighting Circuit Detector

TANG Jiandong

（School of Electronic and Communication Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

The paper analyzes the space alternating electromagnetic field form by the power of the lighting circuit. The induced electromotive force generated by the electromagnetic induction coil is calculated. The structure and the number of coils are designed to measure the inductance of the circuit. Application of detector circuit includes frequency selective circuit, signal amplification circuit, amplitude detection circuit and a sound circuit comparison. Test results show that the detector can accurately detect the inner wall lighting circuit.

electromagnetic induction; lighting circuit detector; operational amplifier; frequency selective circuit

TP216

A

1672-0318（2016）01-0024-03

10.13899/j.cnki.szptxb.2016.01.005

2015-09-11

唐建東（1970-），男，四川遂寧人，副教授，主要研究方向為數(shù)字信號采集與分析、測控系統(tǒng)集成等.